JPH0742121Y2 - 遠心機のロータ中のサンプルの成層を光学的に検出する装置 - Google Patents

遠心機のロータ中のサンプルの成層を光学的に検出する装置

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JPH0742121Y2
JPH0742121Y2 JP1990600002U JP60000290U JPH0742121Y2 JP H0742121 Y2 JPH0742121 Y2 JP H0742121Y2 JP 1990600002 U JP1990600002 U JP 1990600002U JP 60000290 U JP60000290 U JP 60000290U JP H0742121 Y2 JPH0742121 Y2 JP H0742121Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 発明の背景 本発明は遠心機に関する。特に、本発明は、遠心分離工
程が生じている間、サンプル中の成層の進行を動態的に
追跡するための光学走査システムに関する。
従来技術の概要 遠心機のロータにサンプルセルをもたらし、遠心分離が
起こっている間、前記サンプルセルを観察することが知
られている。具体的に言うと、従来の技術では、光源が
視準されている。視準された光は、上方および下方の窓
を通り、前記サンプルセルを経て下方へ当る。前記視準
された光は、サンプル点におけるサンプルの成層の面に
正確に平行に通過する。結像システムは、サンプルの像
を走査スリットの面に再焦点合せする。前記光は、それ
が前記走査スリットに進むとき、干渉フィルタを通過す
る。前記走査スリットのすぐ近くにある光電検出器は、
遠心分離が進行している間、バンドの検出を動態的に可
能にする。
回転しているロータの半径のみに平行な光を視準するこ
とが知られている。これは前記サンプルにおける光の強
さを増加することができ、サンプルの層をはっきりと見
させる。
従来技術との相違 従来技術とここに開示した事項との間に重要な相違があ
る。具体的に言うと、従来技術では、視準は前記サンプ
ルの半径方向で起こっている。後述するように、２つの
別個の曲率を有する、トロイダルに湾曲されかつ罫線付
けされた鏡を使用することにより、選定された周波数の
かつ高い強さの色彩的に分類された光の下で前記サンプ
ルを検査する能力が得られる。この場合、前記サンプル
における回折の階調度は走査されたサンプルの像に著し
くは影響を及ぼさない。
課題の陳述 現代の遠心分離技術は、サンプルが分類されている間、
サンプルの成層を検出することを必要とする。あいに
く、そのようなサンプルはほとんど全く不伝導性であ
る。放射線照射の能率的な使用が必要とされている。
さらに、単色的に走査することの必要性ばかりでなく、
単色走査の周波数を変えることの必要性がある。すなわ
ち、サンプルが検査される照射の波長が変えられなけれ
ばならない。これはすべて、遠心機においてサンプル処
理が起こっている時間範囲で行われなければならない。
この時間範囲は、100,000rpmの速度で回転しているロー
タを含む。
従来の光学の走査技術は、あるサンプルを追跡するのに
十分には光学的な感度や精度がなく、あまりに複雑であ
り、空間走査の良好な結果を達成するのに十分な良好な
視準を持たず、高い回折の階調度がサンプルに存在する
とき作動せず、そして下が200nm（ナノメータ）になる
まで作動しないであろう。
発明の概要 遠心機のサンプルは遠心分離中、光学的に走査される。
頂部および底部の窓であることが好ましい窓を備えたセ
ルを有する遠心機のロータに置かれた前記サンプルは、
成層と分離された層とが前記サンプル中に生ずるまで回
転される。そのような層は、サンプル点で前記遠心機の
半径に正確な直交しかつ前記遠心機の回転軸線に平行で
ある。光源は１つの面のみに視準される。この面はサン
プル面であって、前記遠心機の回転軸線を含みかつ前記
サンプル点を通っている。視準された光線は、前記サン
プルの層を横切りかつ層を通って、前記遠心機の回転軸
線に正確に平行に通過する。光は２つの曲率を有するト
ロイダル鏡（toroidal mirror、以下トロイダルな鏡ま
たは鏡という。）によって視準されかつ色彩的にろ波さ
れる。１つの曲率半径に関する前記鏡の円筒形状は視準
をもたらす。他の曲率半径に関する前記鏡の刻線または
罫線（ruling、以下罫線という。）は色彩の分類をもた
らす。光は色彩的にろ波され、前記サンプル面に垂直な
面には視準されない。前記サンプル面に直交するスリッ
トを有するスリット走査機が前記セルの下方の前記サン
プルの幅を横切る。この横切るスリット走査機は、前記
セル内の前記層の正確な位置を正確に検出する。
20,000ワットの範囲にある高い強さの閃光の点源を含む
好ましい光学通路が開示される。前記点光源は、直径が
1mmあるいはそれより小さい開口を通って投じられる。
この光は、セルのサンプル点の上に横たわっているトラ
イダルな凹状の回折格子に入射するようになる。前記格
子は前記サンプル面に円筒状の部分を備える。鏡として
も作用する前記格子は、回転している前記サンプルに形
成されている層に正確に直交する前記サンプル面に視準
をもたらす。
円筒状部分の曲率は、前記格子がその回転軸線の回りに
回転されているとき、視準がもたらされないようなもの
である。前記鏡は、前記サンプル面に垂直な線に沿って
回折格子として罫線付けされている。前記サンプルは、
前記セルの前記サンプル点の通過時、前記光によって閃
光される。前記光源からの光は、前記セルの上に横たわ
っている前記鏡に入射し、色彩的に分類される。前記光
は、約5nmのバンドで前記セルを通過し、下方に横たわ
る光電検出器を備える下方のスリット走査検出器に達す
る。前記光電検出器と組み合せた前記スリット走査検出
器は、遠心分離中、前記セル中に形成されている層の位
置を正確に決定する。
前記鏡は、前記回転軸線と前記サンプル点における半径
とを含む面に含まれた軸線上で傾斜できる。鏡の前記傾
斜軸線は、前記ロータの前記回転軸線に直交することが
好ましい。前記鏡は不等間隔をおいた罫線を与えられて
いる結果、色彩的に分類された光を得るため、前記鏡の
焦点距離を前記サンプルに関して調節する必要なく、簡
単な傾斜が所望の色彩出力を供給する。その結果、光学
サンプリングシステムが得られる。このサンプリングシ
ステムは、光の減衰の４ディケード（decade）だけ許容
することができ、遠心分離の動力学が、高解像度を必要
とする分離されたバンドにおいて密に追従するのを可能
にする。
他の目的および利点 本発明の目的は、遠心機において回転することにより工
程を行っているサンプルにおける照射強さを増加するこ
とにある。この面に従えば、開口のある光源は、サンプ
ルが取られるべき瞬間に閃光される。前記光源からの光
は前記サンプルのすぐ上にある鏡に入射する。前記鏡
は、前記遠心機の回転軸線と前記サンプル点の半径とを
含む面に、円筒であることが好ましい面を備える。光は
前記鏡から下方へ反射され、前記サンプル点と前記ロー
タの回転軸線とを含むサンプル面において前記遠心機の
前記回転軸線に正確に平行に視準される。前記サンプル
面に直角に配置されたスリット走査検出器は前記サンプ
ルの下方を前後に移動するエクスカーションを有する。
この検出器は、成層の層が前記遠心分離工程において動
態的に形成されるとき、それぞれの光学吸収により、成
層の層を正確に確定する。
前記ロータの回転軸線と前記サンプル点とを含む前記サ
ンプル面においてのみ走査光を視準することの利点は、
前記光源からの照射が一層効果的に使用されるというこ
とである。たとえば、仮に前記サンプルが標準的に視準
されたビームによって照射されたならば、利用できるで
あろう照度の10倍の照度で、前記サンプルを照射するこ
とが可能である。この場合、標準的に視準されたビーム
は前記サンプル面を横切る視準を含む。
ここに開示した走査システムのさらに別の利点は、極め
て狭いバンドが前記サンプルから分類される間、前記狭
いバンドが動態的に追跡され得るということである。前
記バンドの沈降工程（たとえば、それらの沈降係数）が
積極的に追跡され得る。
開示した視準のさらに別の利点は、視準が前記セルを前
記像検出器の面に再焦点合せするための結像システムの
必要性を減らすということである。これは、サンプルの
回折の険しい階調度における解像度での操作を可能にす
る。
本発明のさらに別の目的は、遠心分離工程中、前記サン
プルが異なる波長で色彩的に走査されるのを可能にする
装置を開示することにある。本発明のこの面に従えば、
前記鏡は罫線付けされ、そして湾曲されている。前記鏡
は、通常の不等間隔をおいた罫線を備えることが好まし
い。これら罫線は、サンプリングの波長を異ならせるた
め、鏡のサンプルとの距離を変える必要性を除くために
与えられている。
本発明のこの面の利点は、前記光源が入射している前記
鏡を単に傾けることによって、前記サンプルを走査する
光の波長が変わるということである。
この罫線付けされた鏡のさらに別の利点は、前記サンプ
ルに形成された層の面に光が視準するのを避けることに
よって、鏡が前記サンプルにおける光の能率的な使用を
保つということである。増加された照度が前記サンプル
で維持される。
本発明のさらに別の目的は、前記光源から前記サンプル
までの長い光の通路と前記サンプルから前記検出器まで
の短い光の通路とを有する折り返された光学通路を開示
することにある。
本発明のこの面の利点は、前記サンプルが、前記格子の
角張った配置にもかかわらず、ほとんど完全に平行な光
線によって大きな深さの場で検査されるということであ
る。同時に、一度検査された前記サンプルは、前記検出
器にじかに接することとなる。前記サンプルの前記スリ
ット検出器に対する光学像の退化はほとんど生じない。
図面の簡単な説明 本発明の他の目的、特長および利点は、以下の詳細な説
明および添付した図面を参照した後、一層明らかとなる
であろう。図面において、 第１図は、本発明の光学走査システムを組み込んだ遠心
機の側面図、第２図は第１図の遠心機の平面図、第３図
は、色彩の分散が罫線付けした鏡によって起こる面にお
いて取った側面図、第４図は、正確に平行な光線にサン
プルを走査させるための鏡の配置を示す光学概略図、第
５図は、第１図のサンプルによって利用される折り返さ
れた光の通路の光学概略図であって、ここに示した光学
システムによって提供される解像度を示し、第６図は鏡
を回転するための機構を示す破断した側面図である。
第１および２図を参照して、いわゆる“超遠心機”が示
されている。簡単にいうと、電動機ＭがロータＲを軸線
Ａの回りに回転させる。高速度が必要とされる。ロータ
Ｒを100,000rpmで回転することは珍しいことではない。
当該技術においてよく知られているように、遠心分離は
風損を避けるため真空中で行われる。
サンプルがセルS1内に収容される。前記セルは、光をロ
ータＲの回転軸線に平行に通過させる上方の窓20と下方
の窓22とを含む。この発明の教示にしたがって形成され
る光サンプルが、遠心分離が動態的に起こっている間、
サンプルの成層を検査する方法を実行するのは、それぞ
れの窓を通してである。
光に関して、筒Ｔは鏡Ｍに当るように四角錐として伝え
られる光源Ｌを有する。鏡Ｍからの光は下方へ反射さ
れ、折り返された筒T1を通り、ロータＲのセルS1の窓2
0、22を通る。それぞれの窓20、22を通過した後、光は
検出器Ｄ（第２図）に入射する。後述するように、検出
器Ｄは前記サンプルの半径方向長さにわたるエクスカー
ションを持つことのできる可動スリットである。
遠心機によって発生する力は、典型的には、5,000重力
場から500,000重力場に及び。遠心分離作用が継続する
とき、動態的に形成される層を詳しく検査することがこ
の発明の目的である。前記サンプルを観察するために遠
心分離作用を中断することは、観察されようとしている
正しくその結果を破壊するかもしれないということが、
理解されるであろう。具体的に言うと、作られた大重力
場において起こり得る成層は、その大重力場が除去され
たとき、拡散によってしばしば消失してしまう。
以下の適用においては、ある面を定義することが必要で
ある。一度定義されたこれら面は、光学の配置をものわ
かりよく論ずるのを可能にする。
第１に、前記サンプルは、サンプルが成層のために光学
的に読み取られるとき、サンプル点Ｐに典型的には配置
される。サンプル点Ｐは、遠心機の回転軸線Ａからの半
径26に沿って置かれている。
サンプル面は、回転軸線Ａとこの回線軸線から前記サン
プル点を通って伸びる半径26とを含む。このサンプル面
は光の視準が起こる面である。これと同じサンプル面は
第４図の面である。
前記サンプル面に直交する面を述べることがまた必要で
ある。この面は分散面であって、それに沿って光の色彩
分散が起こる面である。光の視準は前記分散面では起こ
らない。この分散面は第３図の図面の面である。
これらそれぞれの面を説明した後、この発明の特殊な光
学の機能が説明できる。この機能は、第１に、前記サン
プル面に沿う層の所望の検査をするための光の視準を含
む。第２に、光の色彩分類が前記分散面に関して論じら
れる。最後に第５図を参照して、この発明の解像度特性
が説明される。
第３図を参照するに、ストロボの光源Ｌが、1mmあるい
はそれより小さい直径であることが好ましい開口28を通
っている。前記光源からの光40はそれぞれ筒の絞り30、
32を通過し、鏡Ｍに入射している。
第４図を参照すると、読者は、光源Ｌが示されていない
ことを理解するであろう。第４図は、しかしながら、鏡
Ｍから下方へ発散し、サンプル50を経てスリット検出機
52を通り、検出器Ｄに達する光40を示している。スリッ
ト52はサンプル50の下面を走査することが分るであろ
う。そのような走査において、それは回転軸線Ａに正確
に平行しかつ第４図のサンプル面に垂直な層を見分ける
であろう。
ここに示された鏡Ｍは、第４図のサンプル面において光
源Ｌに関して円筒形状で与えられている。この円筒形状
は、光線40がロータＲの回転軸線に平行な通路に沿う第
４図の面内に正確に視準されるように、選定されてい
る。こうして、バンドＢに存在する沈降物のような沈降
物の分類されたあらゆる層は、バンドＢに正確に平行し
かつバンドＢを通る視準された光線40を持つ。
鏡Ｍは視準された光線の発生のため、１つの軸線に沿う
形状に形成されている。他の軸線に沿って、前記鏡の傾
斜が色彩を変え、光を発生するように、前記鏡は異なる
曲率と異なった間隔の罫線とを備える。
そのような罫線は公知である。1975年９月30日付け発行
のピューチャード外の米国特許第3,909,134号明細書を
見られたい。そのような鏡の構造に関して関係のある付
加的な先行技術は、1976年１月６日付け発行のピューチ
ャード外の米国特許第3,930,728号明細書、1973年３月2
0日付け発行のピューチャード外の米国特許第3,721,487
号明細書、1976年３月２日付け発行のラウド外の米国特
許第3,942,048号明細書および1971年12月21日付け発行
の米国特許第3,628,849号明細書に見出され得る。
波長を変えるための格子の回転は、前記光源と直角をな
す直線から約30°起こる。視準のための有効曲率は、格
子の角度にかかわらず変化しない。
読者は、図示した光学が好ましいものであることを理解
するであろう。光を前記サンプル面のみに視準する別の
光学が使用できる。たとえば、レンズと鏡との組合せが
使用され得る。
スリット52は両方向矢印54によって示された通路に沿っ
て検出器Ｄを前後に横切ることが分るであろう。そのよ
うな横切る動きにおいて、検出器Ｄは、1973年１月23日
付け発行のコーヘンの米国特許第3,712,742号明細書に
記載されているように、光の受量の差を見分けるであろ
う。
いくらかの数値的な例が有効である。具体的に言うと、
光源Ｌは典型的には、ストロボのキセノン源である。閃
光する瞬間に、光源は20,000ワットの範囲の出力を含
む。
光の大量の減衰が、セルS1内のサンプル50にあるバンド
Ｂのような本質的に不伝導性の層により生じ得る。全体
に17ディケード（1017）のオーダの光の減衰が起こり得
る。サンプルにおける光の減衰は３ディケード（103）
であり得る。
第３図に戻ると、色彩的に分類されたバンドによってセ
ルS1にあるサンプル50を走査することもまた、望まし
い。たとえば、遠心機において200〜800nmあるいはそれ
より高い範囲（この範囲は紫外にあり、光学スペクトル
の可視部分である）に分類されるタンパク質を走査する
ことが望まれる。従って、鏡Ｍは、第４図の面において
不等間隔をおいたけい線を持つ曲率を備える。第３図に
見られるように、前記けい線は図の面にそして面から伸
びている。矢印62によって示すように、前記鏡を軸線60
の回りに回転することにより、サンプル50の走査は5nm
の幅のバンドで行うことができる。読者は、光学的バン
ドを走査する幅すなわち通過幅が、第３および４図に見
られるように、窓20、22により画定される鏡の放射のた
めの固定角度により、事実上決定されることを理解する
であろう。
セレンディピティ（serendipity）がそのような走査か
ら存在することとなる。具体的に言うと、色彩的に分類
された光のバンドは、第４図に示すように、バンドＢの
面に平行かつバンドＢの前記面内にある。そのようなア
ライメントでは、バンドＢとバンドのそれぞれの面とが
光により照射される。照射光は、第３および４図の両方
の面に関して視準された利用できる光の10倍のオーダに
ある。第４図の面への視準を制限することにより、かつ
第３図の面においてバンドＢを横切ってクロマトグラフ
分類を可能にすることにより、10倍を越える光がサンプ
ルＳのバンドＢに到達する。
第５図を参照すると、システムの光学的概略図が示され
ている。この概略図は、第３および４図に示されている
折り返された光の通路の長さが、いかに前記サンプルの
前記バンド解像度を助けているかを教えている。
距離X1は光源ＬとサンプルS1との間の光学通路の有効長
さを表わすことが分るであろう。この距離は約33cmに等
しい。
同様に、距離X2はスリット52とサンプルS1との間の距離
である。この距離は約2cmである。折り返された光の距
離X1は通路X2より十分に長いことが観察されるであろ
う。したがって、スリット52は高解像度でバンドＢを見
るであろう。ここで、 である。
異なっている色彩の解像度を得るため鏡Ｍを回転するこ
とが望ましいということが強調されている。この回転を
させるための実際の装置は第６図に示されている。
第６図を参照するに、第３および４図に概略的に示され
た前記鏡の近傍の光学筒が示されている。前記鏡は第４
図の概略図と同じ面において示されている。
具体的に言うと、光は筒Ｔの上方に通過する。光学的バ
ッフルが、鏡Ｍに衝突するその光を除いて光源Ｌ（第１
図）からのビームのすべての部分を減少させる。光は鏡
Ｍから反射され、回転セルの内容物をサンプリングする
ため筒T1を下方へ通過する。
鏡Ｍはピボット102の回りを回転する。前記鏡は、歯車1
03、104を含む歯車列によりそのような回転運動をさせ
られる。前記歯車列はまた、減速歯車105、106とアイド
ラ歯車107とを含み、アイドラ歯車107は最終的にラック
108によって駆動される。容易に理解されるように、ラ
ック108の前記鏡に向けての、そして鏡から離れる直線
運動により、鏡Ｍの微調節された正確な回転が生じ得
る。前記鏡は常に視準しているため、該鏡の角度の変化
は、回転しているセルで前記サンプリングをしている色
に影響を及ぼすだけである。
読者は、素早く色を変える能力が、前記セル内の分類さ
れた物質をサンプリングするために色の迅速な調節を可
能にするということを認識するであろう。このように、
光電検出器が個々のセルの半径上を通過する間に、サン
プリング光の色は、変化する光学密度を有する分類され
た層の最適検出のため、迅速に変化され得る。
第４図に示したようなスリット52および検出器Ｄのアラ
イメントは、明らかではない付加的な利点を有する。具
体的に言うと、サンプルS1が分類された状態を増加する
につれ、前記サンプルの種々の成分が分離された層にお
いて集まるようになる。これら成分は種々の塩を含む。
あいにく、そのような重い成分、特に塩に分類される成
分は、異なる屈折指標を有する。これがその場合である
が、スリット52がこれらバンドを見出すには、ある角度
の幅の開口が設けられなければならない、ということが
認識されるであろう。
従って、スリット52がおよそ0.1mmの有効幅を持ち、検
出器Ｄの有効面に関して間隔をおかれた結果、前記サン
プルの鉛直角視界からプラス・マイナス２°が得られ
る。この技術を使用すると、異なる屈折指標を備える前
記サンプルによって屈折された光は依然として観察する
ことができる。そして、この角度を越えるそれた光は前
記検出器に当らない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−61934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−43082（ＪＰ，Ａ) 米国特許3652860（ＵＳ，Ａ) 米国特許3909134（ＵＳ，Ａ) 米国特許3628849（ＵＳ，Ａ)

Claims (5)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸線の回りに回転するための遠心機のロー
    タであって観察点における前記ロータ中のサンプルの成
    層に平行に光を前記サンプルに通過させるための少なく
    とも２つの窓を有するチャンバを画定するロータの回転
    軸線とサンプル点とを含むサンプル面上の前記サンプル
    点を通過して前記サンプルを動かすために前記ロータが
    回転される間、前記遠心機のロータ中の前記サンプルの
    成層を光学的に検出する装置であって、 前記サンプルが前記遠心機のロータによって回転されて
    いる間、前記窓を通して前記サンプルを観察するための
    光源と、 第１の曲率半径と第２の曲率半径とを有するトロイダル
    鏡であって前記第１の曲率半径が前記光源を前記ロータ
    の軸線に平行に、かつ、前記サンプル面のみに視準する
    手段であり、これによって視準された光が前記成層に平
    行に通過し、前記トロイダル鏡に関して異なる角度で異
    なる周波数の色彩の分類を与えるために前記第２の曲率
    半径に関して刻線された単一のトロイダル鏡と、 前記サンプルを検査するための光の周波数を選定するた
    めに前記第１の曲率半径の回りに前記トロイダル鏡を回
    転する手段と、 前記サンプルの成層を決定するために前記窓におけるセ
    ルを通過した後に光を検出する手段とを含む、遠心機の
    ロータ中のサンプルの成層を光学的に検出する装置。
  2. 【請求項２】前記成層を検査するために前記検出する手
    段を動かす手段を含む、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記ロータ中の前記２つの窓は、頂部の窓
    と底部の窓である、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】サンプルから層を形成するために前記サン
    プルを分類するための遠心機の組合せであって、 回転軸線の回りに回転される遠心機のロータであって前
    記層に平行に光を通過するための第１の窓および第２の
    窓を有し、かつ、前記サンプルを保持するチャンバを前
    記ロータの前記回転軸線から離れて画定するロータと、 層を決定するために前記チャンバを通って光る光源であ
    って前記ロータの前記回転軸線とサンプル点とを含むサ
    ンプル面内に通過する光源と、 前記層の検出のための前記ロータの前記窓を通過する光
    の通路を画定する手段と、 前記サンプルを通過する光を検出し、これによって前記
    層が観察される検出器とを含み、 前記光の通路を画定する手段は、２つの曲率半径を有す
    る単一のトロイダル鏡であって前記曲率半径の一方が視
    準された光を前記サンプル面のみに限定すべく形成さ
    れ、前記曲率半径の他方が異なる角度で異なる周波数の
    光を前記トロイダル鏡から与えるために刻線されたトロ
    イダル鏡と、前記サンプルでの光を視準を維持する間、
    前記サンプルを走査するために光の周波数を選定するた
    めの前記第１の曲率半径に関して前記トロイダル鏡を回
    転する手段とを含む、遠心機の組合せ。
  5. 【請求項５】前記トロイダル鏡は、前記サンプル面に平
    行な回折刻線によって刻線された、請求項４に記載の遠
    心機の組合せ。
JP1990600002U 1987-10-29 1988-10-20 遠心機のロータ中のサンプルの成層を光学的に検出する装置 Expired - Lifetime JPH0742121Y2 (ja)

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